¡Descarga Isoterma de absorción de ácido acético con carbón activado y más Guías, Proyectos, Investigaciones en PDF de Química Orgánica solo en Docsity!
Substrato
POLITÉCNICO COLOMBIANO JAIME ISAZA CADAVID
FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS, SOCIALES Y
ASIGNATURA Laboratorio de Fisicoquímica
PROGRAMA Tecnología en Química Industrial y
NOMBRE DE
LA
Obtención de isoterma de absorción
de Acido Acético sobre Carbón
TIPO DE PRÁCTICA Experimental
INVESTIGACIÓN PREVIA
Adsorción
Isoterma de Langmuir.
Activación del carbón.
FUNDAMENTO TEÓRICO
Adsorción
La adsorción es el fenómeno de concentración de una especie química en una interfase. El
término adsorción tiene un significado en ocasiones estructural y en otras dinámico (proceso
de adsorción). El estudio y determinación de la adsorción está relacionado con múltiples
aplicaciones: la catálisis heterogénea, la preparación de nuevos materiales, la nanotecnología,
los procesos electroquímicos, los análisis cromatográficos, el tratamiento de residuos
contaminados, etc. En realidad, en la era de la microelectrónica y nanotecnología, la Química
de Superficies es un área interdisciplinar que contribuye a casi todos los avances
tecnológicos.
La especie química que resulta adsorbida sobre la superficie de un material recibe el nombre
de adsorbato. Para el caso de la adsorción sobre superficies sólidas, el sólido recibe el
nombre de substrato. Fíjate en el esquema para la adsorción S-G:
Interfase Sólido-Gas Complejo Substrato-Adsorbato
Como ejemplo de substrato, el carbón activo encuentra diversas aplicaciones gracias a su
habilidad para adsorber casi todo tipo de sustancias orgánicas. Su capacidad de adsorción se
extiende también a los metales y sus iones, de modo que los carbones activos también se
emplean como soportes de metales catalíticos o electroactivos (baterías). El proceso inverso
de la adsorción se denomina desorción.
Termodinámica de la Adsorción
La adsorción de un gas sobre una superficie es siempre un proceso exotérmico. En
disolución, también es frecuente (aunque no siempre) que la adsorción de un soluto sea
Adsorb
ato
Substr
ato
S +
A(g)
adsorción
desorción
S
A(
ads)
exotérmica. Dado que Δ G ads
< 0 para que el proceso sea espontáneo y que en general la
adsorción de un soluto o un gas sobre una superficie implica Δ S ads
< 0, entonces, se tiene que
Δ H
ads
< 0. Así, se dice que las interacciones atractivas substrato-adsorbato son la fuerza
termodinámica de la adsorción.
Isotermas de Adsorción en la Interfase Sólido-Líquido
Tanto experimental como teóricamente, la descripción cuantitativa más conveniente de un
fenómeno de adsorción en equilibrio hace uso de relaciones a T constante (isotermas).
Para el caso de la adsorción de un soluto sobre una superficie, una isoterma
de adsorción es una función del tipo
n
ads
f
T
C
, donde n ads
representa genéricamente la
cantidad de adsorbato presente en la interfase en equilibrio con una concentración C del
adsorbato en la disolución a una temperatura dada. Las isotermas de adsorción son útiles
para obtener otras propiedades termodinámicas y/o el área superficial del substrato (véase
más adelante).
n
ads Langmuir
n
ads
Freundlich
c/c
sat
c/c
sat
Superficies Homogéneas Superficies Heterogéneas
Figura 1
Para el caso de adsorción en disolución , las dos principales clases de isotermas de adsorción
están representadas esquemáticamente en la Figura 1. La isoterma de Langmuir tiende a un
límite de adsorción, que podemos interpretar en términos de un recubrimiento completo de la
superficie por una cantidad n max
de adsorbato (límite de monocapa). Este tipo de isoterma es
típica de superficies homogéneas. Para el caso de las superficies heterogéneas, la isoterma
de adsorción no presenta un límite claro de adsorción en monocapa. Se trata de una isoterma
de Freundlich. En particular, la adsorción moléculas pequeñas sobre carbón activo (una
superficie bastante homogénea) es un fenómeno intermedio entre la isoterma de Langmuir y
la de Freundlich.
Isoterma de Langmuir
Por su sencillez, su fácil deducción y su utilidad para determinar el área superficial del
material, en esta práctica vas a ajustar los datos experimentales con una ecuación de la
isoterma de Langmuir.
Primero, vamos a deducir una relación del tipo n i
= f t
(C) para la adsorción en monocapa sin
más que suponer que la superficie del substrato es homogénea y que la H ads
es constante y no
varía con el grado de recubrimiento. En estas condiciones, un equilibrio de adsorción química
puede tratarse de modo análogo a un equilibrio químico en un sistema homogéneo. Por
ejemplo, la adsorción de ácido acético en disoluciones acuosas por carbón activo (C ) implica el
siguiente equilibrio:
k
1
ds a n
ax m n
k
donde k 1
y k 2
son las constantes cinéticas de los procesos de adsorción y desorción ,
respectivamente, y C representa un centro activo en la superficie del substrato capaz de dar
adsorción con una molécula de ácido acético.
Suponiendo que:
a) la velocidad de adsorción v ads
es proporcional a la concentración de soluto (ácido
acético, en nuestro experimento) y al número de centros activos libres ( n max
-n ads
b) la velocidad de desorción v des
es proporcional al número de moléculas adsorbidas n
ads
podemos plantear las siguientes ecuaciones cinéticas empíricas:
v
ads
k
1
C n
max
n
ads
v
des
k
2
n
ads
En estas ecuaciones cinéticas, C representa la concentración de soluto, n ads
es la cantidad de
ácido acético adsorbido y n max
es el valor máximo de cantidad adsorbida.
La condición de equilibrio v ads
= v des
, nos conduce a una expresión para el grado de
recubrimiento , conocida como la isoterma de Langmuir :
v
ads
=v
des
k
ads
( M N )
p
k
des
N
= n
ads
/n
max
k
1
C (
) k
2
Ecuación de la Isoterma (2) Significado Termodinámico de b
donde b
k
1
puede interpretarse como la constante de equilibrio del proceso de
2
adsorción a una temperatura dada y está relacionada con la energía libre de Gibbs de
adsorción.
La finalidad del experimento de adsorción consistirá en determinar algunos pares de puntos
( nads , C ) de la isoterma de adsorción del ácido acético sobre carbón activo a temperatura
ambiente. A partir de los datos experimentales, realizarás un ajuste por mínimos cuadrados
que te permitirá conocer los parámetros de la isoterma (en realidad, el ajuste lo hará un
programa informático). Para ello, es conveniente reescribir el grado de recubrimiento como:
donde w es la masa de substrato (carbón activo). Así, el cociente n
ads
w expresa los
moles de soluto adsorbidos por unidad de masa de substrato. Además, se reajusta la
ecuación de Langmuir a una forma lineal:
nads
n max
b T
C
1 b T
C
b
T
k
1
k
K
e
q 2
Gads
Langmu
ir
RT
ln b
n
ads
n
max
w w
w
n
ads
w
n
max
w
n
max
b
Carbón vegetal active (Charcoal)
Fenolftaleina
PRECAUCIONES
Dadas las sustancias con las que se trabaja en esta práctica, se recomienda tener cuidado en
la manipulación de las mismas, evitando el posible contacto con la piel o la ropa.
PROCEDIMIENTO
1. Determinación Experimental de la Isoterma
En esencia, la estrategia experimental consta de las siguientes etapas
a) Preparación de una serie de disoluciones de ácido acético con concentraciones conocidas
a las que añadirás carbón activo que se mantendrá en suspensión y sobre cuya superficie
tendrá lugar el fenómeno de adsorción.
b) Una vez alcanzado el equilibrio de adsorción (dejar pasar un tiempo), valorarás las
disoluciones de ácido acético con NaOH(aq) e indicador químico fenolftaleína.
c) Una vez conocida la concentración de ácido en equilibrio con el ácido adsorbido calcularás
los moles de acético adsorbido por gramo de substrato
d) Finalmente, el tratamiento de los datos te conducirá a los parámetros de la isoterma.
Pasos concretos a ejecutar:
- Realiza una valoración de 10.0 mL de ácido acético 0.5 M utilizando el NaOH 1.0 M
como agente valorante. Los pasos a tomar son:
-Lava la bureta con una pequeña porción de NaOH (aq)
-Pipetea 10 mL exactos de CH 3
COOH y recógelos en el matraz erlenmeyer de 100 mL. Añade
dos gotas de indicador fenolftaleína.
- Prepara las muestras de carbón activo. Pesa, cuidadosamente, seis muestras de 2.
gramos de carbón activo y utilizando los matraces Erlemenyer numerados tápalos
posteriormente. Anota el peso exacto de cada muestra.
- Utilizando probetas distintas, mide consecutivamente los volúmenes de ácido acético
0.5 M y agua destilada indicados en la siguiente Tabla. Añade estas cantidades en los
correspondientes matraces Erlenmeyer con carbón activo.
Matraz Nº 1 2 3 4 5 6
w Carbón (g)
Agua (mL) 0 2
0
4
0
6
0
8
0
90
CH 3
COOH
(mL)
1
0
0
8
0
6
0
4
0
2
0
10
[CH 3
COOH] inic
ial
- Para determinar la concentración de CH 3
COOH una vez alcanzado el equilibrio de
adsorción sigue los siguientes pasos:
- Filtra por gravedad aproximadamente 20 mL de la disolución 1.
- Mide entonces exactamente 10 mL con la pipeta de la disolución filtrada en la probeta
Ve NaOH (punto final) =mL
Concentración Exacta de CH 3 COOH =.
y recógelos en el matraz Erlenmeyer para valoraciones. Añade dos gotas de fenolftaleína.
- Encuentra la concentración de ácido acético en equilibrio con el carbón activo
([CH
3
COOH]
equilibrio
) por valoración con NaOH(aq).
- Repite estos pasos con las disoluciones 2-6.
- Realizada la primera valoración de todas las disoluciones, repite el proceso de filtrado
y valoración de una segunda porción de 10 mL de cada una de ellas.
1
a
Valoración
2
a
Valoración
REGISTRO DE DATOS
Tratamiento de los Resultados Experimentales.
Una vez completados todos los experimentos, es el momento de reunir los datos obtenidos y
obtener por simples cálculos estequiométricos, la cantidad de ácido acétido adsorbido por
unidad de masa de carbón activo. Completa la siguiente Tabla:
Matraz
Nº
1 2 3 4 5 6
w masa de Carbón (g)
[CH 3
COOH] iniciales
Moles Iniciales de
acético en disolución
C= [CH
3
COOH]
equilibrio
Moles Finales de
acético en disolución
n ads
= Moles de
acético Adsorbido
n
ads
/w
Posteriormente, representa gráficamente la isoterma de adsorción experimental a
temperatura ambiente en forma de
n
ads
w
frente a C. Asimismo, para el examen de la
isoterma de Langmuir, debes representar gráficamente
ads
frente a
C
y obtener
n w
Matraz Nº 1 2 3 4 5 6
V e
NaOH (mL)
V e
NaOH (mL)
[CH
3
COOH]
equilib
rio
Todos los datos están en Å (1 Å = 10
m)
Calcula finalmente el área superficial de 1 gramo de carbón activo haciendo
uso del valor de σ que has determinado. Recuerda que Σ - N A
σ Da el
resultado en m
2
/g y comenta los resultados.
(DATO N
A
23
mol
PREGUNTAS
A partir de la relación G ads
= H
ads
T S
ads ,
¿cuál es el efecto de la
temperatura sobre la Adsorción? ¿Es más favorable la adsorción a bajas o altas
temperaturas?
- ¿Cuál es el comportamiento límite de la isoterma de Langmuir (ecuación 2)
cuando C →α y C → 0?
- ¿Por qué es necesario mantener el carbón activo en el desecador?
- Calcula la molaridad inicial de ácido acético en cada mezcla, [CH 3
COOH]
inicial
y completa la anterior Tabla. ¿Crees qué será razonable la aproximación de
volúmenes aditivos? Discute este aspecto con tus profesores
- A la vista de los resultados de las valoraciones, ¿se puede asegurar que se ha
alcanzado el equilibrio de adsorción satisfactoriamente en todos los
experimentos?
- ¿Crees que tus datos experimentales se ajustan satisfactoriamente a la forma
funcional de la isoterma de Langmuir? Justifica tu respuesta basándote en el
valor del parámetro R
2
(coeficiente de correlación) que se obtiene del ajuste.
REFERENCIAS
- Universidad de Oviedo; EUITIG; Experimentación en química; Química de
superficie; P 125 – 134.
r
H H
H
O
OH
r 2
n
m
a
x
w
Radios
Atómicos
C 1
O 1
H 1
